厚膜集成电路丝网印刷工艺技术

薄厚膜集成电路工艺 作者：韩鑫摘 要 重点介绍了厚膜集成电路中的丝印技术及厚膜混合电路 、薄膜中的物理气相淀积技术关键词 厚膜丝印 厚膜混合电路 薄膜物理气相淀积 引 言 厚膜技术与薄膜技术是电子封装中重要的工艺技术，厚膜技术使用网印与烧结方法，薄膜技术使用镀膜光刻、物理淀积等方法。薄膜电路的主要特点是：制造精度比较高，可实现小孔金属化，可方便的采用介质制造多层电路，厚膜电路是应电子小型产品化发展起来的应用比较广泛且体积小具有很大的发展潜力。随着技术的发展，厚膜混合集成电路使用范围日益扩大，逐渐在各个领域渗透。1、薄厚集成电路概述薄厚集成电路大体上可分为两大类：半导体集成电路和混合集成电路，而混合集成电路又可分为两种，一种是薄膜混合集成电路，它是应用真空喷射法的薄膜技术制造。另一种是厚膜集成电路，是应用丝网印刷厚膜技术制造。所谓薄膜是指1m左右的膜层厚度，厚膜是指1025m的膜层厚度，无论是薄膜还是厚膜都有各自的优点。2、厚膜集成电路丝网印刷工艺 2.1陶瓷板 使用90%96%的氧化铝陶瓷基板，是一种以氧化铝(Al2O3)为主体的材料，有较好的传导性、机械强度和耐高温性。制作厚膜时应注意陶瓷板的材质、尺寸、粗糙度、翘曲以及表面的缺陷与污染等，并在净化间进行超声波清洗。 2.2浆料 有导体浆料、电阻浆料和绝缘浆料3种，浆料一般由贵金属和低熔点玻璃组成。制作浆料时要注意浆料的材质、粘度和膨胀系数等。印刷厚膜电路所使用的浆料，其成分有金、银、铂、钯等。上述金属粉末分散在有机树脂粘合剂中调成糊状，然后通过丝网印版印在陶瓷基板上。经高温烧制，有机树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯粹的贵金属，由于玻璃质的作用而密合在基板上。这层膜可作为厚膜线路、厚膜电阻、厚膜电容及半导体集成电路用的底层金属片。 (1)用银做导电材料其电阻是很低的，因此有时也使用银钯、银的混合物做导电材料。 (2)为了在基板上形成电阻膜，所用的电阻材料主要是银、金、钯、属粉末。 (3)小型电容器的导电体、电极等是由重叠印刷法制造出来的。电极材料以铂金、钯金、银等为主体组成。 2.3丝网印版的制作 (1)网框：印刷厚膜电路的丝网网框多采用硬铝及铝合金，网框规格一般为100mm150mm和150mm200mm。网框形状通常为矩形。 (2)丝网：印刷厚膜电路的丝网多采用不锈钢丝网或尼龙丝网。一般电路印刷200300目丝网；多层布线或要求精度更高时，可采用300目以上的丝网。 (3)感光胶：由于厚膜电路丝印要求得到较厚的墨膜(浆料膜)，所以要求使用能将光膜涂至2030m厚的感光胶，但显影后不得出现边缘缺陷。 2.4厚膜丝印 集成电路的丝网印刷图像是微型的，要求印刷精度高，所以印刷机、印板、承印物(基板)、油墨等都需要高精度，印刷场所也一定要保持恒温，并清除尘埃。 刮板材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶，硬度为邵氏A70A80。另外，选择刮板的形状及硬度时，应考虑电路板上欲印什么图案这个因素。一般情况下，刮板刃部为90或60，刮板角为7075印刷厚膜集成电路的丝印机有半自动和全自动两类。半自动丝印机只有基板供给是用手工完成的，其它工序自动完成，如信息产业部电子第四十五研究所开发研制的WY-155型、WY-203型等精密丝网印刷机，具有印刷精度小于0.01mm，刮板压力和印刷速度可以调节，真空工作台x、y、三维精密调整，整机PLC控制等，各项指标均达到或超过国外同类设备技术水平，是国内厚膜集成电路生产厂家的首选设备。 2.5厚膜电路的印后加工 一般印刷厚膜电路板，首先进行导体印刷，再反复印刷电阻23次，有时根据情况可适当交叉进行玻璃涂层的印刷，在印刷后还要进行下述加工或处理。 摊平过程：印刷后将印刷品放置57min至网纹消失为止。 干燥处理：用100左右的温度进行干燥。 烧制：用约650670的温度进行烧制。这一道工序非常重要，所以要随时调整炉温，保持适合浆料烧结的温度。调整：调整电阻值，一般采用向电路板喷砂或用激光调整电阻体的方法进行调整。 包封：对制成的内接元件起到保护作用。2.6厚膜电阻器丝印制作工艺 厚膜印刷与一般丝网印刷相似，只是厚膜印刷的产品是厚膜电阻器、电容器等电路元件。厚膜电阻器的精度、电气稳定性和可焊性等技术指标，与厚膜丝印质量有关，墨膜厚度有微小变化，产品就不能使用。因此，厚膜电阻器膜厚的均匀性将直接影响产品的成品率。普通的厚膜电阻器是厚度约20m的立方体，如果控制其厚度一定，则可用长宽之比来决定该电阻器的电阻值。厚膜电阻器的长宽比以最大101至最小110，对电阻值相同的印刷油墨(电阻浆料)，其面电阻只能在101/10范围内变化。要想获得这一范围以外的电阻值，则必须改用电阻值不同的浆料。厚膜电阻，如图3所示。 2.7丝印缺陷对厚膜电路的影响 在制作厚膜印刷电路时，丝印缺陷对成品质量的影响比较大。 3、厚膜混合集成电路厚膜混合集成电路在许多方面，都保持着优于半导体集成电路的地位和特点： 低噪声电路 高稳定性无源网络 高频线性电路 高精度线性电路 微波电路 高压电路 大功率电路 模数电路混合 随着半导体集成电路芯片规模的不断增大，为大规模与厚膜混合集成电路提供了高密度与多功能的外贴元器件。利用厚膜多层布线技术和先进的组装技术进行混合集成，所制成的多功能大规模混合集成电路即为现在和将来的发展方向。一块大规模厚膜混合集成电路可以是一个子系统，甚至是一个全系统。3.1工艺过程 厚膜混合集成电路通常是运用印刷技术在陶瓷基片上印制图形并经高温烧结形成无源网络。制造工艺的工序包括： 电路图形的平面化设计：逻辑设计。电路转换。电路分割。布图设计。平面元件设计。分立元件选择。高频下寄生效应的考虑。大功率下热性能的考虑。小信号下噪声的考虑。 印刷网板的制作：将平面化设计的图形用显影的方法制作在不锈钢或尼龙丝网上。 电路基片及浆料的选择：制作厚膜混合集成电路通常选择 96%的氧化铝陶瓷基片(特殊电路可以选择其它基片),浆料一般选择美国杜邦公司。美国电子实验室。日本田中等公司的导带。介质。电阻等浆料。 丝网印刷：使用印刷机将各种浆料通过制作好电路图形的丝网印刷在基片上。 高温烧结：将印刷好的基片在高温烧结炉中烧结，使浆料与基片间形成良好的熔合和网络互连，并使厚膜电阻的阻值稳定。 激光调阻：使用厚膜激光调阻机将烧结好的电路基片上印刷厚膜电阻阻值修调到规定的要求。 表面贴装：使用自动贴装机将外贴的各种元器件和接插件组装在电路基片上，并经再流焊炉完成焊接，包括焊接引出线等。 电路测试：将焊接完好的电路在测试台上进行各种功能和性能参数的测试。 电路封装：将测试合格的电路按要求进行适当的封装。 成品测试：将封装合格的电路进行复测。 入库：将复测合格的电路登记入库。 3.2材料 在厚膜混合集成电路中，基片起着承载厚膜元件，互连，外贴元件和以及包封等作用，在大功率电路中，基片还有散热的作用。厚膜电路对基片的要求包括：平整度。光洁度高；有良好的电气性能；高的导热系数；有与其它材料相匹配的热膨胀系数；有良好的机械性能；高稳定度；良好的加工性能；价格便宜。通常厚膜电路选择 96%的氧化铝陶瓷基片，如果需要散热条件更好的基片则可选择氧化铍基片。 在厚膜混合集成电路中，无源网络主要是在基片上将各种浆料通过印刷成图形并经高温烧结而成。使用的材料包括：导体浆料。介质浆料和电阻浆料等。 厚膜导体是厚膜混合集成电路中的一个重要组成部分，在电路中起有源器件的互连线。多层布线。电容器电极。外贴元器件的引线焊区。电阻器端头材料。低阻值电阻器。厚膜微带等作用。导体浆料中，通常的厚膜混合集成电路使用的是钯银材料，在部分军品电路和高精度电路中使用的是金浆料，在部分要求不高的电路中使用的是银浆料。 厚膜电阻浆料也是厚膜混合集成电路中的一个重要组成部分，用厚膜电阻浆料制成的厚膜电阻是应用最广泛和最重要的元件之一。厚膜电阻浆料是由功能组份。粘结组份。有机载体和改性剂组成，一般选用美国杜邦公司的电阻浆料。 厚膜介质浆料是为了实现厚膜外贴电容的厚膜化。步线导体的多层化以及厚膜电阻的性能参数不受外部环境影响而应用的。包括电容介质浆料。交叉与多层介质浆料和包封介质浆料。 3.4应用 随着技术的发展，厚膜混合集成电路使用范围日益扩大，主要应用于航天电子设备。卫星通信设备。电子计算机。通讯系统。汽车工业。音响设备。微波设备以及家用电器等。由此可见，厚膜混合集成电路业已渗透到许多工业部门。在欧洲，厚膜混合集成电路在计算机中的应用占主要地位，然后才是远程通信。通讯。军工与航空等部门。而在日本，消费类电子产品大量采用厚膜混合集成电路。美国则主要用于宇航。通讯和计算机，其中以通讯所占的比例最高。 在航空和宇航行业，厚膜混合集成电路由于其结构和设计的灵活性、小型化、轻量化、高可靠性、耐冲击和振动、抗辐射等特点，在机载通信、雷达、火力控制系统。导弹制导系统以及卫星和各类宇宙飞行器的通信、电视、雷达、遥感和遥测系统中获得大量应用。 在军工行业，厚膜电路一般用作高稳定度、高精度、小体积的模块电源，传感器电路，前置放大电路，功率放大电路等。在其它领域，厚膜多层步线技术已成功用于数码显示管的译码。驱动电路，透明厚膜还用于冷阴极放电型。液晶型数码显示管的电极。此外，厚膜技术在许多新兴的与电子技术交叉的边缘学科中也具有持续发展的潜力，有关门类有：磁学与超导膜式器件。声表面波器件。膜式敏感器件(热敏。光敏。压敏。气敏。力敏).膜式太阳能电池。集成光路等。 3.5发展 目前，厚膜混合集成电路也受到巨大竞争威胁。印刷线路板的不断改进追逐着厚膜混合集成电路的发展。在变化迅速和竞争激烈的情况下，必须进一步探索厚膜混合集成电路存在的问题与对应采取的措施： 开发价廉质优的各种新型基板材料。浆料与包封材料，如 SIC基板。瓷釉基板。 G-10环氧树脂板等，贱金属系浆料。树脂浆料等，高温稳定性良好的包装材料与玻璃低温包封材料等。 采用各种新型片式元器件，如微型封装结构器件(SOT),功率微型模压管，大功率晶体管，各种半导体集成电路芯片，各种片式电阻器。电容器。电感器与各种片式可调器件。 R网络。 C网络。 RC网络。二极管网络。三极管网络等。 开发应用多层布线。高密度组装和三维电路，向具有单元系统功能的大规模厚膜混合集成电路发展。 充分发挥厚膜混合集成电路的特长，继续向多功能。大功率方向发展，并不断改进材料和工艺，进一步提高产品的稳定性和可靠性，降低生产成本，以增强厚膜混合集成电路的生命力和在电子产品市场的竞争能力。 在利用厚膜集成技术的基础上，综合运用表面组装技术，薄膜集成技术。半导体微细加工技术和各种特殊加工技术，制备多品种、多功能、高性能、低成本的微型电路，如厚膜微片电路，厚薄膜混合集成电路。厚膜传感器及其它各种新型电路等。 推广 CAD.CAM与CAT技术在厚膜混合集成电路设计和制造过程中的应用，生产工艺逐步向机械化，半自动化。全自动化方向过渡，不断提高生产效率，降低生产成本与改善厚膜混合集成电路的可靠性。4、薄膜物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤： (1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。 (3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 物理气相沉积技术工艺过程简单，